Katmanlı Üretim 'Sıvı Metal Ram'ın Ticarileştirilmesinde Anahtar Olabilir

Çin'deki Tsinghua Üniversitesi'nden araştırmacıların depolama sistemlerine yönelik yeni bir yaklaşımı, elektronik cihazların performansından ödün vermeden esnek belleğe olanak tanıyor. Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı, Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı ve Shuimu Tsinghua Burs Programı tarafından finanse edilen, bu araştırma Yakın zamanda yayınlanan “Gelişmiş Malzemeler” dergisinde “Sıvı Metal Belleği” tanıtılıyor.

Elektronik cihazların hayati bileşenleri olan depolama sistemleri, dünya giderek daha gelişmiş giyilebilir elektronik cihazlar, biyomedikal cihazlar ve yumuşak robotik teknolojilere tanıklık ettikçe çok daha esnek hale gelmelidir. Bu veri depolama sistemleri, yeni cihazların performansını etkilemeden aşırı derecede esnemeli, bükülmeli ve bükülmelidir.

Geleneksel depolama yöntemlerinin sınırlamaları nedeniyle esnek hafızaya ulaşmak zorlu olmuştur. Son çalışma, insan beyninin polarizasyon ve depolarizasyon mekanizmalarından ilham alan yeni bir depolama prensipleri sınıfı önermektedir.

Oksidasyon ve deoksidasyon davranışlarını tanıtarak sıvı metallerEkip, tamamen esnek bir bellek elde etti. Araştırmacılar, hedef sıvı metallerin genel iletkenliğini modüle etmek için geri dönüşümlü elektrokimyasal oksidasyondan yararlanarak, ikili veri depolama için 11. dereceden önemli bir direnç farkı oluşturdular.

En iyi depolama performansını elde etmek için birden fazla parametrenin sistematik optimizasyonları gerçekleştirildi. Kavramsal deneyler, 360° bükülme, 180° bükülme ve %100 esneme dahil olmak üzere aşırı deformasyon senaryolarında hafıza stabilitesini gösterdi. Daha ileri testler, belleğin daha küçük birim boyutlarıyla daha iyi performans gösterdiğini gösterdi.

Ekip, depolama sistemlerinin 33 Hz'in üzerinde hızlı bir depolama hızına ve 43200 saniyenin üzerinde uzun veri saklama kapasitesine, 3500 döngüye kadar istikrarlı, tekrarlanabilir çalışmayla ulaştığı sonucuna vardı. Bu dikkate değer performans ölçümleri, "çığır açan yöntemin" yenilikçi nöromorfik cihazların önünü açarken mevcut elektronik depolama birimlerinin doğuştan gelen katılık sınırlamalarının üstesinden gelebileceğini gösteriyor.

Böylece sıvı metal bellek, geleneksel esnek bellek kavramlarını temelden değiştirerek biyo-ilhamlı yapay zeka sistemleri, yumuşak robotik ve giyilebilir elektroniklerdeki gelecekteki uygulamalar için pratik yollar sunuyor.

Alışılmadık Bir Yaklaşım: Sıvı Metal Kullanmak

Pekin'deki Tsinghua Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği Bölümü'nde profesör olan Jing Liu, bir röportajda, esnek cihazların artan kullanımının, belleğin deforme edilebilir özelliklerine olan talebin de artacağı anlamına geldiğini söyledi.

Esnek dirençli RAM cihazı FlexRAM olarak adlandırılıyor ve alışılmadık bir yaklaşımla (sıvı) geliştirildi. Bu sıvı metal RAM, beynimizin yaptığı gibi, yaklaşık %70'i su olan bir çözüm ortamında bilgileri depolar. 

Bu biyomimetik yaklaşımı benimseyen FlexRAM, kendisini mevcut sağlam bellek sistemlerinden ayırıyor. Liu'ya göre biyomimetik yaklaşım, "canlı organizmalarda bulunan sulu çalışma ortamlarına" benzer. 

Şu ana kadar mevcut bellek cihazlarının esnekliği sınırlıydı çünkü bunlar genellikle esnek olmayan bellek bileşenlerinin yumuşak malzemelerin üzerine yerleştirilmesiyle oluşturuldu. Bu durum cihazları kısmen esnek hale getirir ve cihazın deforme olması durumunda soyulma ve çatlamalara yol açar. 

FlexRAM, depolama aygıtlarını üretmek için bellek bileşeni olarak galyum ve indiyumdan oluşan bir alaşım kullanarak bunu değiştirmeyi hedefliyor. Galyum bazlı sıvı metaller, yüksek elektriksel ve termal iletkenlik, düşük toksisite ve oda sıcaklığında akışkan bir yapıya sahip düşük viskozite gibi mükemmel özelliklerinden dolayı ilgi çekici bir malzemedir.

Beyinden ilham alan bu malzeme, tıpkı beynimizdeki nöronlar gibi, bir çözelti ortamında oksidasyon ve redüksiyona uğrar. Nöron, içindeki plazma zarı dışarıya kıyasla negatif yüke sahip olduğunda polarize olur ve herhangi bir değişiklik onu daha az negatif hale getirdiğinde, buna depolarizasyon denir.

Ayrıca malzeme oda sıcaklığında sıvı halini korur. Bu, sıvının yüzeyinde yoğun bir galyum oksit tabakası oluşturacak şekilde oksidasyonlarını kolaylaştırır. Bu galyum oksit tabakası, depolama sisteminin yüksek elektriksel direnç durumuna ve sıvının indirgenmiş formu olan elementel galyumun düşük dirençli durumuna karşılık gelir. 

Bu iki durumun direnci arasındaki fark olan yüksek direnç oranı, bellek depolama performansı için çok önemlidir.

Yüksek Entegrasyon ve Ölçeklenebilirliğe Ulaşmak

Performans söz konusu olduğunda, bellek depolama cihazlarının enerji verimliliği, hızlı okuma ve yazma hızları, yüksek depolama yoğunluğu, veri saklama, dayanıklılık ve güvenilirlik gibi birçok özelliğe sahip olması gerekir. Sorun, cihazın esnekliğini maksimuma çıkarırken bu yönler arasında bir denge kurmakta ortaya çıkıyor.

Bu nedenle, yüksek düzeyde deformasyona dayanabilecek bir cihaz geliştirmek için araştırma ekibi, kapsülleme malzemesi olarak Ecoflex adı verilen gerilebilir bir polimer kullandı.

Ekip daha sonra Ecoflex kalıplarını basmak için bir 3D yazıcı kullandı. 3D baskı veya katmanlı üretim Karmaşık nesnelerin üretilmesini sağlar. Geleneksel imalatla ekonomik olarak mümkün olmayan ürünlerin üretimine olanak sağlar. AM temel olarak bilgisayar tarafından oluşturulan bir tasarıma malzeme katmanları yerleştirerek üç boyutlu nesneler oluşturmak anlamına gelir.

Maliyet etkinliği nedeniyle, 3D baskı üretimi ilk kez kitlelere ulaştırdı. Bu arada tasarım esnekliği ve hızlı prototip oluşturma yeteneği, bu tekniği bilim insanları ve araştırmacılar arasında popüler kılıyor.

Böylece cihaz oluşturulduktan sonra galyum bazlı sıvı metalin damlacıkları kalıp boşluklarına yerleştirildi. Çözelti sızıntısını önlemek için araştırmacılar, cihazın direnç oranını artırma ve mekanik özelliklerini geliştirme yeteneği nedeniyle ayrı olarak enjekte edilen polivinil asetat hidrojel çözeltisinin damlacıklarını da kullandılar.

Sıvı metal damlacığının boyutu burada önemliydi çünkü cihazdaki yüksek direnç durumu/düşük direnç durumu oranını önemli ölçüde etkiliyor. Daha küçük bir damlacık boyutu, yüzey oksit filminin güçlendirilmiş etkisi nedeniyle artan bir orana yol açar. Yani damlacığın boyutu ne kadar küçükse "hafıza tepkisi de o kadar hassastır."

Liu şunları söyledi:

"Damlacık boyutunun azaltılması, FlexRAM'in entegrasyonuna ve ölçeklenebilirliğine fayda sağlayarak tamamen esnek, yüksek yoğunluklu belleği çeşitli mühendislik gelişmeleri için umut verici bir seçenek haline getiriyor." 

Verileri Okumak, Yazmak ve Depolamak

Artık veri kodlamaya gelince, FlexRAM bunu sıvı metalin oksidasyon ve indirgeme süreçleriyle yapıyor. 

Yani çalışma şekli, galyum bazlı sıvı metalin, düşük voltaj uygulandığında oksitlenmesidir. Bu ona yüksek direnç durumunu “1” verir. Gerilim polaritesinin tersine çevrilmesiyle sıvı metal başlangıçtaki düşük direnç durumu olan "0"a geri döner. Bu tersine çevrilebilir anahtarlama işlemi, hafızanın cihazda saklanmasına ve silinmesine olanak tanır.

FlexRAM'ın okuma ve yazma yeteneğini göstermek için araştırmacılar, cihazı bir yazılım ve donanım kurulumuna entegre ettiler. Ekip, bilgisayar komutlarını kullanarak sekiz adet FlexRAM depolama biriminden oluşan bir diziye bir dizi sayı ve harf yazdı.

Bu harf ve rakamlar 0 ve 1 şeklinde kodlanmış ve 1 baytlık veri bilgisine karşılık geliyordu, bu da tüketici sınıfı hafıza kapasitesinden uzaktı.

Bir sonraki adımda ekip, bilgisayardan gelen dijital sinyali analoga dönüştüren, darbe genişliği modülasyonu adı verilen bir teknik kullandı. Teknik, sıvı metalin oksidasyonunu ve indirgenmesini dikkatli bir şekilde kontrol etmelerine olanak sağladı.

Daha sonra ekip, metalin redoks durumunda değişiklik yapmadan sistemin direnç durumunu ölçmek için bilgi okuma sırasında 1 voltluk kısa bir test voltajı uyguladı. Akım daha sonra bilgisayara iletilir ve bilgisayar, bir algoritma kullanarak sinyali 0 veya 1'e dönüştürür. Son olarak kodlanmış mesaj bir LED ekranda görüntülenir.

Prototip geçici bir bellek olmasına rağmen prensip, cihazın farklı bellek biçimlerine dönüştürülmesine olanak tanır.

Bu, cihazda depolanan verilerin, güç kapatıldığında bile varlığını sürdürdüğü gözleminde görülebilir. Bu, cihazın esnek bir depolama biçimi olarak ve belki de RAM'in ötesinde umut vaat ettiği anlamına gelebilir. Liu şunları kaydetti:

"FlexRAM, bir mantıksal cihaz olarak işlev görecek şekilde tüm sıvı tabanlı bilgi işlem sistemlerine dahil edilebilir." 

FlexRAM ayrıca oksijenin az olduğu veya oksijenin olmadığı bir ortamda verilerini 43,200 saniyeye veya 12 saate kadar tutabilir. Ayrıca cihaz, 3500'den fazla döngü boyunca istikrarlı bir performansı korurken tekrar tekrar kullanılabilir. İyi bir başlangıç ​​olsa da, geleneksel ama esnek olmayan belleğin milyonlarca kez yapabileceğinin yakınında bile değil.

Geniş Uygulama Potansiyeli

Cihaz umut verici bir performans sergilese de, tepki süresi ve entegrasyon seviyesi ticari standartların altında. Bu da, şu anda malzemelerin sırayla doldurulmasını gerektiren üretim prosedürü de dahil olmak üzere birçok alanda iyileştirmeye ihtiyaç duyulduğu anlamına geliyor.

Ekip, 3D havadan baskı ve paketleme teknolojisinin yanı sıra akıllı ve otomatik üretim süreçlerini kullanmayı hedefliyor. 

Yine de teknoloji henüz çok genç ve tam anlamıyla hayata geçirilmesi yıllar alacak. Bununla birlikte, kavram kanıtlaması cesaret vericidir ve bu yeni yaklaşım, birçok sıvı bazlı kavramın araştırılmasıyla birlikte sektörde ilgi çekmiştir.

Böyle bir araştırma şuydu: gösterdi Birkaç yıl önce, son derece yüksek yoğunluklu nearline depolama uygulamaları potansiyeline sahip olan koloidal ve elektrolitik bellek olmak üzere iki yeni sıvı bazlı depolama konsepti önerildiğinde.

Yine yaşam bilimlerindeki ilerlemelerden ilham alınarak, yoğun bir erişim cihazı dizisi oluşturmaya yönelik depolama ortamının, erişim sağlamak için daha büyük hacimlerde manipüle edilebilen, iyonlar, moleküller veya (nano-)partiküller içeren bir sıvı olması önerildi. yoğun bir dizinin parçası olan cihaz.

Nanoelektronik ve dijital teknolojilerde bir Ar-Ge ve yenilik merkezi olan IMEC, 2030'dan itibaren sıvı belleğin piyasaya sürülmesini öngörüyor. Bu yaklaşımlarla bit depolama yoğunluğunun mm1 başına daha düşük işlem maliyetiyle 2 Tbit/mm2 aralığına doğru itilebileceği öngörülüyor. Ayrıca, bu depolama çözümlerinin nearline uygulamalara uygun olabilmesi için teknolojinin yeterli yanıt süresine, enerji tüketimine, bant genişliğine (örneğin 20 Gb/s), döngüsel dayanıklılığa (103 okuma/yazma döngüsü) ve veriyi saklama yeteneğine sahip olması gerektiğini de belirtti. on yıllık veriler.

Başka örnek2020 yılında araştırmacılar sıvı metal pillerden şarj aldılar. Burada tuz elektroliti, metal anot ve katotun tamamı sıvı haldeydi. Katı hal pillerle karşılaştırıldığında sıvı metal piller, iyonların elektrotlar arasında hızlı difüzyonundan yararlanır, bu da hızlı şarj-deşarj döngüleri anlamına gelir. 

Üstelik mekanik gerilimler çok daha azdır ve membranlara ve ayırıcılara olan ihtiyacı ortadan kaldırırken uzun vadeli stabiliteyi ve kullanışlılığı artırır. Araştırmada sıvı metal pillerin ağır olmasına rağmen yanıcı olmadığı ve büyük ölçekli elektrik depolamaya daha uygun olabileceği belirtildi.

Son zamanlarda bilim insanları keşfetti yumuşak devreler ve sert elektrik bileşenleri arasında sağlam elektriksel ve mekanik bağlantılar sağlayan sıvı metal bazlı bir kompozit. Araştırmacılar, gümüş ve ötektik galyum-indiyum (EGaIn) içeren elektriksel olarak iletken bir yapıştırıcı olan E-CASE adı verilen bu malzemenin elektronik, robotik ve sensörlerde rol oynamasını umuyorlar.

Araştırmacılar zorlukları ele alıp teknolojiyi geliştirdikçe FlexRAM gelecekte implante edilebilir elektroniklerde, yumuşak robotlarda ve beyin-makine arayüz sistemlerinde de kullanım alanı bulabilir.

Katmanlı İmalat Firmaları 

# 1. Materyalleştir

Belçika merkezli 3D baskı hizmetleri sağlayıcısı, otomotiv, havacılık ve sağlık hizmetleri de dahil olmak üzere çeşitli sektörlere hizmet veriyor. Geçtiğimiz birkaç ay içinde Materialize, 3D baskılı anatomik modellerin kullanımını teşvik etmek için Ricoh USA, uçaklar için 3D baskı kabini çözümleri için Proponent, gelişmiş Yapı İşlemcileri geliştirmek için Nikon SLM Solutions ve Ansys ile olmak üzere birçok ortaklığa imza attı. 3D baskı için simülasyonu basitleştirmek.

329 milyon dolarlık piyasa değeriyle Materialize'ın (MTLS:NASDAQ) payı YTD'ye göre %5.57 düşüşle 15.16 dolardan işlem görüyor. Şirketin geliri (TTM) 272 milyon dolar olarak açıklandı ve EPS (TTM) 0.05, F/K (TTM) ise 116.53 oldu. Şirket, 3.2Ç63.6 kazanç raporunda toplam gelirinin önceki yıla göre %3 artışla 23 milyon $'a yükseldiğini bildirirken, FAVÖK'ünde %55 artış görüldü ve net kâr da %184 artışla 4.2 milyon $'a yükseldi.

# 2. EOS GmbH

Almanya merkezli EOS GmbH, kaliteden ödün vermeden ince detayların üretimini sağlayan bir FDR teknolojisini piyasaya süren lider bir endüstriyel 3D baskı üreticisidir. Şirketin Smart Fusion teknolojisi ise destek yapılarını ortadan kaldırıyor, maliyeti düşürüyor, malzeme kullanımını en aza indiriyor ve son işlem gereksinimlerini azaltıyor. Yeni sistemleri ayrıca, üretim ihtiyaçlarına göre ölçeklenebilen tam otomatik bir çözüm sağlıyor. 

EOS GmbH ve Materialise'ın yanı sıra Stratasys, GE Additive, Desktop Metal, Formlabs ve Renishaw gibi 3D baskı şirketleri de Liquid Metal Ram'ın ticarileştirilmesine yardımcı olabilir. Bu arada Soft Robotics, Shadow Robot Company, Neuralink, CTRL-labs, BrainGate, Apple ve Samsung gibi şirketler depolama sistemlerine yönelik bu yeni yaklaşımdan yararlanabilir.

Son Söz

Sıvı Metal Koç'un neredeyse her türlü deformasyona dayanıklı olması, elektronik cihazlar için harika bir gelecek vaat ederek hayatımızı daha da zenginleştiriyor. Ancak, ticarileştirilmeden önce daha fazla araştırma ve çalışmaya ihtiyaç duydukları için henüz erken bir aşamadalar. 

Burada katmanlı üretim, özelleştirilmiş tasarımlara ve gelişmiş performans ve güvenilirlik için farklı bileşenlerin daha iyi entegrasyonuna olanak sağlayarak önemli bir rol oynayabilir. Üstelik hızlı prototip oluşturmaya olanak tanıyarak araştırmacıların ve şirketlerin hızlı iyileştirmeler yapmasına olanak tanırken israfı azaltır, ölçeklenebilirlik ve isteğe bağlı üretim sunar.

3D baskı stoklarına (katkılı üretim) yatırım yapma hakkında her şeyi öğrenmek için burayı tıklayın.